【技术专辑】一个电路,三个波特图:Omnifilter

本文是AAC模拟电路集的一部分,讨论了一种滤波器电路,它允许您在低通,高通和带通响应之间进行选择。

 

有时候,便利性和灵活性比成本和PCB空间更重要。这种情况变得越来越罕见,但是在这个世界上仍然存在空间,可以使用更大,更昂贵的电路 - 无需单一修改 - 作为低通滤波器,高通滤波器或带通过滤器。

 

“什么是omnifilter?”你问,然后,“为什么我以前从未见过这个词?”第二个问题很容易回答:因为是我编的。关于第一个问题,一个omnifilter是一个不准确的命名电路,它给你三个频率响应的价格(或可能略高于价格)一个。名称是不准确的,因为前缀omni来自拉丁语omnis,意思是“全部”,而有两种过滤器类型不包括在omnifilter中,即缺口和全通。

 

低通,高通,带通

 

不用多说了,让我们来看看电路,这与我在电气工程原理与应用(第四版)中发现的类似:

 

【技术专辑】一个电路,三个波特图:Omnifilter

 

因此,这里的一般想法是具有一个输入信号和三个输出信号的电路。第一个运算放大器的输出信号是输入信号的高通滤波版本,第二个运算放大器产生带通滤波信号,第三个运算放大器产生低通滤波信号。

 

我现在告诉你,这条电路无视我分析一般功能的尝试。总共有五个反馈路径,其中一个应用180°相移。高通响应来自看似普通反相放大器的子电路,低通响应来自子电路,其输入是带通滤波信号。但不知何故,它确实有效(至少在模拟世界中)。

 

而且仅仅为了记录,这条电路并不像它最初出现的那样不切实际。假设您在PCB上包含一个omnifilter,因为您还不确定需要什么样的频率响应,或者(这可能是更可能的情况),因为您希望电路板是“多用途的”,即,可以融入各种不同系统的东西。使用四个运算放大器代替一个运算放大器效率似乎非常低效,但实际上有四个是一个很好的数字,因为运算放大器很容易在四个封装中使用,而这些四通道器件可能非常小而且价格非常合理。我遇到的一个例子是STMicro 的LM324QT ; 它有4个通用运算放大器,采用3 mm×3 mm封装,成本不到50美分。

 

增益和频率响应

 

下图显示了上面给出的原理图的三个滤波器响应。

 

【技术专辑】一个电路,三个波特图:Omnifilter

 

如您所见,低通截止频率接近高通截止频率,并且这两者都接近带通中心频率。我发现令人惊讶的其他东西,几乎令人惊讶的是,低通和高通响应实际上是二阶的:每十年滚降40 dB。也许这只是我的无知,但通过观察这个电路,除了带通响应之外,我绝不会期望它产生两个二阶滤波器响应。在我看来,我们从四个运算放大器和适量的电阻器和电容器中获得了相当多的功能。

 

omnifilter的另一个便利功能是能够通过仅修改一个电阻器(即R1)来改变所有三个滤波器的增益。增益为R2 / R1。在上图中,R2 / R1 =1kΩ/100Ω,因此所有滤波器的最大幅度响应均为20 dB。如果我将R1改为1kΩ,响应看起来相同,但它们会向下移动到单位增益:

 

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关于截止频率,您可能已经注意到LTspice实现充满了1kΩ电阻和1μF电容。如果我们应用典型的f c = 1 /(2πRC)公式,我们可以预期截止频率为~160 Hz。不幸的是,设置截止频率并不像设置增益那么简单:如下图所示,低通滤波器的-3dB频率为~203 Hz,高通滤波器为~125 Hz。

 

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(值得注意的是,两个-3dB频率与预期的160 Hz截止频率几乎相等,并且带通中心频率为160 Hz)。我不知道如何根据所需的截止频率计算元件值。我的建议是模拟,直到找到有用的东西。

 

一个截止频率,还是三个?

 

我设想在不需要截止频率明显不同的滤波器的应用中使用omnifilter。而且,我怀疑拓扑结构不允许这样做; 限制滤波器到一个公共截止频率肯定是权衡的一部分,这使得这个四运放电路除了带通响应之外还能产生两个二阶响应。

 

作为我们完成之前的一个快速示例,以下电路已经过修改,可能会导致不同的截止频率(R2,C1和C2已经改变)。但正如情节所示,事实并非如此。

 

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结论

 

我们已经看到了一个复杂,诚实而又莫名其妙的电路,它提供了一些有趣的功能。omnifilter是一个不易分析的可扩展过滤模块,但在SPICE仿真的帮助下,它可能在某些应用中可能是一个有价值的电路。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计